Experimentos biológicos da sonda Viking - Viking lander biological experiments

Esquema do Sistema Experimental Biológico Viking Lander

Em 1976, duas sondas de programa Viking idênticas , cada uma transportou quatro tipos de experimentos biológicos para a superfície de Marte . Os primeiros pousadores de Marte bem-sucedidos, Viking 1 e Viking 2 , realizaram experimentos para procurar bioassinaturas de vida microbiana em Marte . Cada módulo de pouso usou um braço robótico para coletar e colocar amostras de solo em recipientes de teste selados na nave.

As duas sondas realizaram os mesmos testes em dois lugares da superfície de Marte, o Viking 1 próximo ao equador e o Viking 2 mais ao norte.

Os experimentos

Os quatro experimentos abaixo são apresentados na ordem em que foram realizados pelas duas sondas Viking. O líder da equipe de biologia do programa Viking foi Harold P. Klein (NASA Ames).

Cromatógrafo de gás - espectrômetro de massa

Um cromatógrafo a gás - espectrômetro de massa ( GCMS ) é um dispositivo que separa os componentes do vapor quimicamente por meio de um cromatógrafo a gás e então alimenta o resultado em um espectrômetro de massa , que mede o peso molecular de cada produto químico. Como resultado, ele pode separar, identificar e quantificar um grande número de produtos químicos diferentes. O GCMS (PI: Klaus Biemann , MIT) foi usado para analisar os componentes do solo marciano não tratado, e particularmente aqueles componentes que são liberados quando o solo é aquecido a diferentes temperaturas. Ele pode medir moléculas presentes em um nível de algumas partes por bilhão.

O GCMS não mediu nenhuma quantidade significativa de moléculas orgânicas no solo marciano. Na verdade, descobriu-se que os solos marcianos contêm menos carbono do que os solos lunares sem vida retornados pelo programa Apollo . Este resultado era difícil de explicar se o metabolismo bacteriano marciano fosse responsável pelos resultados positivos vistos pelo experimento de liberação rotulada (veja abaixo). Um livro de astrobiologia de 2011 observa que este foi o fator decisivo devido ao qual "Para a maioria dos cientistas Viking, a conclusão final foi que as missões Viking falharam em detectar vida no solo marciano."

Experimentos conduzidos em 2008 pela sonda Phoenix descobriram a presença de perclorato em solo marciano. O livro de astrobiologia de 2011 discute a importância dessa descoberta com relação aos resultados obtidos pela Viking, pois "embora o perclorato seja um oxidante muito pobre para reproduzir os resultados LR (nas condições desse experimento, o perclorato não oxida os orgânicos), ele oxida, e assim destruir, orgânicos nas temperaturas mais altas usadas no experimento Viking GCMS. O astrobiólogo da NASA Chris McKay estimou, de fato, que se níveis de percloratos semelhantes aos de Phoenix estivessem presentes nas amostras Viking, o conteúdo orgânico do solo marciano poderia ter foi tão alto quanto 0,1% e ainda teria produzido o resultado (falso) negativo que o GCMS retornou. Assim, embora a sabedoria convencional sobre os experimentos de biologia Viking ainda aponte para "nenhuma evidência de vida", os últimos anos viram pelo menos um pequeno mudança em direção a "evidências inconclusivas". "

De acordo com um comunicado de imprensa da NASA de 2010: "Os únicos produtos químicos orgânicos identificados quando as sondas Viking aqueceram amostras de solo marciano foram clorometano e diclorometano - compostos de cloro interpretados na época como prováveis ​​contaminantes de fluidos de limpeza." De acordo com um artigo de autoria de uma equipe liderada por Rafael Navarro-González da Universidade Nacional Autônoma do México , "esses produtos químicos são exatamente o que [seu] novo estudo descobriu quando um pouco de perclorato - a descoberta surpreendente de Phoenix - foi adicionado ao solo desértico do Chile contendo orgânicos e analisados ​​na forma dos testes Viking. " No entanto, o comunicado de imprensa da NASA de 2010 também observou que: "Uma razão pela qual os orgânicos clorados encontrados pela Viking foram interpretados como contaminantes da Terra foi que a proporção de dois isótopos de cloro neles correspondia à proporção de três para um para aqueles isótopos na Terra . A proporção deles em Marte ainda não foi claramente determinada. Se for muito diferente da Terra, isso apoiaria a interpretação dos anos 1970. " Biemann escreveu um comentário crítico ao artigo de Navarro-González e McKay, ao qual este último respondeu; a troca foi publicada em dezembro de 2011.

Troca gasosa

O experimento de troca gasosa ( GEX ) (PI: Vance Oyama , NASA Ames) procurou gases emitidos por uma amostra de solo incubada, primeiro substituindo a atmosfera marciana pelo gás inerte hélio . Ele aplicou um complexo líquido de nutrientes orgânicos e inorgânicos e suplementos a uma amostra de solo, primeiro apenas com os nutrientes adicionados e, em seguida, com a adição de água. Periodicamente, o instrumento amostrava a atmosfera da câmara de incubação e usava um cromatógrafo de gás para medir as concentrações de vários gases, incluindo oxigênio , CO 2 , nitrogênio , hidrogênio e metano . Os cientistas levantaram a hipótese de que os organismos metabolizadores consumiriam ou liberariam pelo menos um dos gases sendo medidos.

No início de novembro de 1976, foi relatado que "no Viking 2, o experimento de troca gasosa está produzindo resultados análogos aos do Viking 1. Mais uma vez, o oxigênio desapareceu assim que a solução nutritiva entrou em contato com o solo. Novamente, o dióxido de carbono começou a aparecer e ainda continua a evoluir ".

Lançamento rotulado

O experimento de liberação rotulada ( LR ) (PI: Gilbert Levin , Biospherics Inc.) foi o mais promissor para os exobiologistas . No experimento LR, uma amostra de solo marciano foi inoculada com uma gota de solução nutritiva aquosa muito diluída. Os nutrientes (7 moléculas que eram produtos Miller-Urey ) foram marcados com 14 C radioativo . O ar acima do solo foi monitorado para a evolução de 14 CO 2 radioativo (ou outro gás à base de carbono) como evidência de que os microrganismos no solo tinham metabolizou um ou mais dos nutrientes. Tal resultado deveria ser seguido com a parte de controle do experimento, conforme descrito para o PR abaixo. O resultado foi uma surpresa, considerando os resultados negativos dos dois primeiros testes, com um fluxo constante de gases radioativos sendo liberado pelo solo imediatamente após a primeira injeção. O experimento foi feito por ambas as sondas Viking, a primeira usando uma amostra da superfície exposta à luz solar e a segunda tirando a amostra debaixo de uma rocha; ambas as injeções iniciais deram positivo. Os testes de controle de esterilização foram subsequentemente realizados por aquecimento de várias amostras de solo. As amostras aquecidas por 3 horas a 160 ° C não liberaram gás radioativo quando os nutrientes foram injetados, e as amostras aquecidas por 3 horas a 50 ° C exibiram uma redução substancial no gás radioativo liberado após a injeção de nutrientes. Uma amostra armazenada a 10 ° C por vários meses foi posteriormente testada mostrando uma liberação de gás radioativo significativamente reduzida.

Um artigo da CNN de 2000 observou que "Embora a maioria de seus colegas concluísse o contrário, Levin ainda afirma que os testes de robôs que coordenou na sonda Viking de 1976 indicaram a presença de organismos vivos em Marte." Um livro de astrobiologia de 2006 observou que "Com amostras terrestres não esterilizadas, porém, a adição de mais nutrientes após a incubação inicial produziria ainda mais gás radioativo, pois as bactérias dormentes entraram em ação para consumir a nova dose de alimento. Isso não era verdade no caso o solo marciano; em Marte, a segunda e a terceira injeções de nutrientes não produziram nenhuma liberação adicional de gás rotulado. " A edição de 2011 do mesmo livro observou que "Albet Yen do Jet Propulsion Laboratory mostrou que, sob condições extremamente frias e secas e em uma atmosfera de dióxido de carbono, a luz ultravioleta (lembre-se: Marte não possui uma camada de ozônio, então a superfície é banhada em ultravioleta) pode fazer com que o dióxido de carbono reaja com os solos para produzir vários oxidantes, incluindo superóxidos altamente reativos (sais contendo O 2 - ). Quando misturados com pequenas moléculas orgânicas, os superoxidantes prontamente os oxidam em dióxido de carbono, que pode ser responsável pelo resultado LR. A química do superóxido também pode ser responsável pelos resultados intrigantes observados quando mais nutrientes foram adicionados ao solo no experimento LR; porque a vida se multiplica, a quantidade de gás deveria ter aumentado quando um segundo ou terceiro lote de nutrientes foi adicionado, mas se o efeito foi devido ao consumo de um produto químico na primeira reação, nenhum novo gás seria esperado. Por último, muitos superóxidos são relativamente instáveis ​​e são destruídos em temperaturas elevadas ures, também responsável pela "esterilização" observada no experimento LR. "

Em artigo de 2002 publicado por Joseph Miller, ele especula que atrasos registrados nas reações químicas do sistema apontam para uma atividade biológica semelhante ao ritmo circadiano observado anteriormente em cianobactérias terrestres .

Em 12 de abril de 2012, uma equipe internacional incluindo Levin e Patricia Ann Straat publicou um artigo revisado por pares sugerindo a detecção de "vida microbiana existente em Marte", com base na especulação matemática por meio da análise de agrupamento dos experimentos de Liberação Rotulada da Missão Viking de 1976 .

Liberação pirolítica

A libertação pirolítico ( PR experimento) (PI: Norman Horowitz , Caltech) consistiu na utilização de luz, água, e um componente que contém carbono- atmosfera de monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO 2 ), simulando que em Marte. Os gases portadores de carbono foram feitos com carbono-14 ( 14 C), um isótopo pesado e radioativo do carbono. Se houvesse organismos fotossintéticos presentes, acreditava-se que eles incorporariam parte do carbono como biomassa por meio do processo de fixação de carbono , assim como fazem as plantas e as cianobactérias na Terra. Após vários dias de incubação, o experimento removeu os gases, cozeu o solo restante a 650 ° C (1200 ° F) e coletou os produtos em um dispositivo que contou a radioatividade. Se qualquer um dos 14 C tivesse sido convertido em biomassa, seria vaporizado durante o aquecimento e o contador de radioatividade o detectaria como evidência de vida. Caso fosse obtida uma resposta positiva, uma amostra duplicada do mesmo solo seria aquecida para "esterilizá-la". Em seguida, seria testado como um controle e, caso ainda mostrasse atividade semelhante à primeira resposta, era uma evidência de que a atividade era de natureza química. No entanto, uma resposta nula, ou muito diminuída, era evidência para a biologia. Este mesmo controle deveria ser usado para qualquer um dos três experimentos de detecção de vida que mostraram um resultado inicial positivo. A avaliação inicial dos resultados do experimento Viking 1 PR foi que "a análise dos resultados mostra que uma pequena, mas significativa formação de matéria orgânica ocorreu" e que o controle esterilizado não mostrou nenhuma evidência de orgânicos, mostrando que os "achados podem ser atribuídos a Atividade biológica." No entanto, dada a persistência da liberação orgânica a 90 ° C, a inibição de orgânicos após a injeção de vapor de água e, especialmente, a falta de detecção de orgânicos no solo marciano pelo experimento GCMS, os pesquisadores concluíram que uma explicação não biológica do PR resultados eram mais prováveis. No entanto, nos anos subsequentes, como os resultados de GCMS foram cada vez mais sob escrutínio, os resultados do experimento de liberação pirolítica voltaram a ser vistos como possivelmente consistentes com a atividade biológica, embora "Uma explicação para a aparente pequena síntese de matéria orgânica na liberação pirolítica experimento permanece obscuro. "

Conclusões científicas

Compostos orgânicos parecem ser comuns, por exemplo, em asteróides, meteoritos, cometas e corpos gelados que orbitam o Sol, portanto, não detectar nenhum traço de qualquer composto orgânico na superfície de Marte foi uma surpresa. O GC-MS estava definitivamente funcionando, porque os controles foram eficazes e foram capazes de detectar traços de cloro, atribuídos aos solventes de limpeza que foram usados ​​para esterilizá-lo antes do lançamento. Uma reanálise dos dados de GC-MS foi realizada em 2018, sugerindo que compostos orgânicos podem realmente ter sido detectados, corroborando com os dados do rover Curiosity . Na época, a ausência total de matéria orgânica na superfície tornava os resultados dos experimentos de biologia discutíveis, uma vez que o metabolismo envolvendo compostos orgânicos era o que esses experimentos pretendiam detectar. A comunidade científica em geral supõe que os testes biológicos do Viking permanecem inconclusivos e podem ser explicados por processos puramente químicos

Apesar do resultado positivo do experimento Labeled Release, uma avaliação geral é que os resultados vistos nos quatro experimentos são melhor explicados por reações químicas oxidativas com o solo marciano. Uma das conclusões atuais é que o solo marciano, sendo continuamente exposto à luz ultravioleta do Sol (Marte não tem camada protetora de ozônio ), acumulou uma fina camada de um oxidante muito forte . Uma molécula oxidante suficientemente forte reagiria com a água adicionada para produzir oxigênio e hidrogênio, e com os nutrientes para produzir dióxido de carbono (CO 2 ).

Norman Horowitz foi o chefe da seção de biociências do Jet Propulsion Laboratory para as missões Mariner e Viking de 1965 a 1976. Horowitz considerou que a grande versatilidade do átomo de carbono o torna o elemento com maior probabilidade de fornecer soluções, mesmo exóticas, para os problemas de sobrevivência da vida em outros planetas. No entanto, ele também considerou que as condições encontradas em Marte eram incompatíveis com a vida baseada no carbono.

Em agosto de 2008, a sonda Phoenix detectou perclorato , um forte oxidante quando aquecido acima de 200 ° C. Isso foi inicialmente pensado para ser a causa de um resultado LR falso positivo. No entanto, resultados de experimentos publicados em dezembro de 2010 propõem que compostos orgânicos "poderiam estar presentes" no solo analisado por ambos Viking 1 e 2 , uma vez que a sonda Phoenix da NASA em 2008 detectou perclorato, que pode quebrar compostos orgânicos. Os autores do estudo descobriram que o perclorato pode destruir compostos orgânicos quando aquecido e produzir clorometano e diclorometano como subproduto, compostos de cloro idênticos descobertos por ambas as sondas Viking quando realizaram os mesmos testes em Marte. Como o perclorato teria decomposto qualquer composto orgânico marciano, a questão de se a Viking encontrou ou não compostos orgânicos ainda está em aberto, já que interpretações químicas e biológicas alternativas são possíveis.

Em 2013, o astrobiólogo Richard Quinn, do Ames Center, conduziu experimentos nos quais os aminoácidos que reagem com o hipoclorito, que é criado quando o perclorato é irradiado com raios gama, parecem reproduzir as descobertas do experimento de liberação rotulada. Ele concluiu que nem o peróxido de hidrogênio nem o superóxido são necessários para explicar os resultados dos experimentos de biologia Viking. Um estudo mais detalhado foi realizado em 2017 por uma equipe de pesquisadores, incluindo Quinn. Embora este estudo não tenha sido projetado especificamente para coincidir com os dados do experimento LR, descobriu-se que o hipoclorito poderia explicar parcialmente os resultados do controle, incluindo o teste de esterilização a 160 ° C. Os autores declararam que "Outros experimentos estão planejados para caracterizar a estabilidade térmica do hipoclorito e de outras espécies de oxicloro no contexto dos experimentos LR."

Controvérsia

Antes da descoberta do perclorato oxidante em Marte em 2008, algumas teorias se opunham à conclusão científica geral. Um investigador sugeriu que a explicação biológica da falta de orgânicos detectados por GC-MS poderia ser que o inventário de oxidação do solvente H 2 O 2 -H 2 O excedeu em muito o poder redutor dos compostos orgânicos dos organismos.

Também foi argumentado que o experimento Labeled Release (LR) detectou tão poucos organismos metabolizadores no solo marciano, que teria sido impossível para o cromatógrafo de gás detectá-los. Esta visão foi apresentada pelo designer do experimento LR, Gilbert Levin, que acredita que os resultados positivos do LR são diagnósticos para a vida em Marte. Ele e outros conduziram experimentos contínuos tentando reproduzir os dados Viking, seja com materiais biológicos ou não biológicos na Terra. Embora nenhum experimento jamais tenha duplicado com precisão os resultados de teste e controle de Mars LR, experimentos com peróxido de hidrogênio - dióxido de titânio saturado produziram resultados semelhantes.

Embora a maioria dos astrobiólogos ainda conclua que os experimentos biológicos Viking foram inconclusivos ou negativos, Gilbert Levin não é o único a acreditar no contrário. A reivindicação atual de vida em Marte é baseada em evidências antigas, reinterpretadas à luz de desenvolvimentos recentes. Em 2006, o cientista Rafael Navarro demonstrou que os experimentos biológicos Viking provavelmente não tinham sensibilidade para detectar vestígios de compostos orgânicos. Em um artigo publicado em dezembro de 2010, os cientistas sugerem que se orgânicos estivessem presentes, eles não teriam sido detectados porque quando o solo é aquecido para verificar se há orgânicos, o perclorato os destrói rapidamente, produzindo clorometano e diclorometano, que é o que os landers Viking descobriram . Esta equipe também observa que isso não é uma prova de vida, mas pode fazer uma diferença na forma como os cientistas procuram bioassinaturas orgânicas no futuro. Os resultados da missão atual do Mars Science Laboratory e do programa em desenvolvimento ExoMars podem ajudar a resolver essa controvérsia.

Em 2006, Mario Crocco chegou a propor a criação de uma nova classificação nomenclatural que classificou alguns resultados Viking como ' metabólicos ' e, portanto, representativos de uma nova forma de vida. A taxonomia proposta por Crocco não foi aceita pela comunidade científica, e a validade da interpretação de Crocco dependia inteiramente da ausência de um agente oxidante no solo marciano.

De acordo com Gilbert Levin e Patricia Ann Straat, investigadores do experimento LR, nenhuma explicação envolvendo química inorgânica em 2016 é capaz de dar explicações satisfatórias dos dados completos do experimento LR e, especificamente, abordar a questão de qual agente ativo no solo as amostras podem ser adversamente afetadas pelo aquecimento a aproximadamente 50 ° C e destruídas com armazenamento de longo prazo no escuro a 10 ° C, como os dados sugerem.

Críticas

James Lovelock argumentou que a missão Viking teria feito melhor examinar a atmosfera marciana do que olhar para o solo. Ele teorizou que toda a vida tende a expelir gases residuais na atmosfera e, como tal, seria possível teorizar a existência de vida em um planeta detectando uma atmosfera que não estivesse em equilíbrio químico. Ele concluiu que havia informações suficientes sobre a atmosfera de Marte naquela época para descartar a possibilidade de vida lá. Desde então, o metano foi descoberto em Marte atmosfera "em 10ppb, reabrindo assim este debate. Embora em 2013 o rover Curiosity não conseguisse detectar metano em sua localização em níveis superiores a 1,3 ppb. mais tarde, em 2013 e em 2014, as medições do Curiosity detectaram metano, sugerindo uma fonte variável com o tempo. O ExoMars Trace Gas Orbiter , lançado em março de 2016, implementa esta abordagem e se concentrará na detecção, caracterização da variação espacial e temporal e localização de fontes para um amplo conjunto de gases traço atmosféricos em Marte e ajudará a determinar se sua formação é biológica ou origem geológica. A Mars Orbiter Mission também está tentando —desde o final de 2014— detectar e mapear o metano na atmosfera de Marte. Um comentário da imprensa argumentou que, se havia vida nos locais das sondas Viking, ela pode ter sido morta pelo escapamento dos foguetes de pouso. Isso não é um problema para as missões que pousam através de uma cápsula protegida por airbag , desacelerada por pára-quedas e retrobancos e lançada de uma altura que permite que a exaustão do foguete evite a superfície. O rover Sojourner da Mars Pathfinder e os Mars Exploration Rovers utilizaram essa técnica de pouso com sucesso. A sonda Phoenix Scout desceu à superfície com foguetes retro, no entanto, seu combustível era hidrazina e os produtos finais da pluma (água, nitrogênio e amônia) não afetaram os solos no local de pouso.

Missões presentes e futuras

Design Urey

A questão da vida em Marte provavelmente não será resolvida inteiramente até que futuras missões a Marte demonstrem conclusivamente a presença de vida no planeta, identifiquem o (s) produto (s) químico (s) responsável (is) pelos resultados Viking, ou ambos. A missão Mars Science Laboratory pousou o rover Curiosity em 6 de agosto de 2012, e seus objetivos incluem a investigação do clima marciano , geologia e se Marte poderia ter sustentado a vida , incluindo investigação do papel da água e da habitabilidade planetária . A pesquisa astrobiológica em Marte continuará com o ExoMars Trace Gas Orbiter em 2016, o Mars 2020 Perseverance rover em 2021 e o posterior Rosalind Franklin rover .

Em 2008, o analisador térmico e de gás evoluído foi operado em Marte, que poderia analisar quimicamente 8 amostras.

O instrumento Urey foi um estudo financiado para detector de compostos orgânicos sensíveis, mas não foi enviado a Marte, mas foi considerado para o programa ExoMars dos anos 2000.

Missões propostas

A Detecção Biológica de Oxidante e Vida (BOLD) é uma missão proposta a Marte que acompanharia os testes de solo Viking usando várias sondas de impacto de pequeno porte. Outra proposta é o Icebreaker Life, baseado no patamar de pouso Phoenix .

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos

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